SPA-H 耐候鋼表面氧化鐵皮缺陷原因分析及措施

吳優(yōu)，魏秀東，齊曼，劉欣

（鞍鋼集團(tuán)朝陽鋼鐵有限公司，遼寧 朝陽 122000）

SPA-H 耐候鋼為低合金高強(qiáng)度鋼，主要含有的合金元素為Cu、P、Cr、Ni、Si、Mn 等，具有優(yōu)良的耐大氣腐蝕性能［1］。耐候鋼在使用過程中表面會(huì)逐步形成一層致密、附著牢固的腐蝕產(chǎn)物保護(hù)膜，阻止大氣中的氧、水及其他腐蝕性介質(zhì)對(duì)基體進(jìn)一步腐蝕，其腐蝕速率相對(duì)于碳鋼大大降低［2-3］。鞍鋼集團(tuán)朝陽鋼鐵有限公司（以下簡(jiǎn)稱“朝陽鋼鐵”）年生產(chǎn)SPA-H 耐候鋼1 萬～3 萬t，最多時(shí)超過4 萬t。該鋼種生產(chǎn)中出現(xiàn)氧化鐵皮壓入鋼材表面的缺陷，影響了產(chǎn)品質(zhì)量。

1 試樣缺陷描述及檢測(cè)結(jié)果

SPA-H 鋼生產(chǎn)工藝流程為： 高爐鐵水冶煉—脫硫扒渣—轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)吹—LF 爐精煉—ASP 連鑄—鑄坯加熱—粗軋—精軋—卷取—平整—成品包裝。為研究氧化鐵皮缺陷產(chǎn)生的原因，現(xiàn)場(chǎng)取5 塊厚度規(guī)格為1.60 mm 的SPA-H 集裝箱用熱軋板表面條狀缺陷試樣，編號(hào)1#～5#，使用LEICA DIM5000M 光學(xué)顯微鏡、ZEISS SUPRA 55 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡和OXFORD 能譜儀，對(duì)缺陷部位進(jìn)行檢測(cè)分析。

1.1 試樣缺陷描述

試樣宏觀形貌見圖1。肉眼觀察缺陷發(fā)現(xiàn)，1#～4#試樣表面局部存在沿軋制方向分布的黑灰色魚鱗狀缺陷，缺陷邊緣不規(guī)則；5#試樣表面局部沿軋制方向分布柳葉狀缺陷，缺陷邊緣較規(guī)則，呈黑褐色，缺陷部位色澤發(fā)暗，深度不一，大小各異。

1.2 檢測(cè)結(jié)果

掃描電鏡微觀觀察發(fā)現(xiàn)，1#～4#試樣缺陷處表面呈明顯的凹凸不平，凹陷處表面物質(zhì)有些已脫落，呈明顯的壓入狀態(tài)，凹陷和凸起處均可見破碎物；5#試樣缺陷處呈“翹皮”狀，有些區(qū)域皮翹起，有些區(qū)域皮脫落，翹起、脫落處均可見破碎物。1#～5#試樣能譜成分分析結(jié)果均以O(shè) 和Fe 元素為主，也有少量Si、Cr 等影響氧化鐵皮的其他元素。在缺陷處截取金相試樣，經(jīng)鑲嵌、磨制、拋光、4%硝酸酒精溶液腐蝕后觀察發(fā)現(xiàn)，試樣缺陷附近組織與基體組織無明顯差異, 均為鐵素體+珠光體+貝氏體；1#、3#～5#試樣基體夾雜物為D0.5 級(jí)，2#試樣為D0.5、DS2.0 級(jí)。1#試樣缺陷（凹陷）處微觀形貌及能譜分析結(jié)果見圖2。

圖2 1#試樣缺陷（凹陷）處微觀形貌及能譜分析結(jié)果Fig.2 Microscopic Morphology of Defect （Depression） in No.1 Sample and Energy Spectrum Analysis Results

綜上可知，該缺陷為氧化鐵皮壓入缺陷。產(chǎn)生機(jī)理為板坯加熱和軋制過程中鋼的表面會(huì)產(chǎn)生氧化鐵皮，如果除鱗時(shí)氧化鐵皮還有殘留，在后續(xù)軋制時(shí)被軋輥碾壓而進(jìn)入鋼板次表面，最終在鋼板表面形成氧化鐵皮壓入缺陷。

2 氧化鐵皮壓入缺陷原因分析

2.1 加熱工藝制度不合理

高溫爐氣下鋼坯表面生成的爐生氧化鐵皮成為一次氧化鐵皮。由于SPA-H 耐候鋼加入微量合金，所以與普碳鋼、低碳鋼相比，該鋼種產(chǎn)品質(zhì)量設(shè)計(jì)的粗軋拋鋼溫度RDT 高，生產(chǎn)難度大。表1為SPA-H 鋼設(shè)計(jì)熱軋溫度制度。

表1 SPA-H 鋼設(shè)計(jì)熱軋溫度制度Table 1 Hot Rolling Temperature Schedule Designed for SPA-H Steel

為了滿足設(shè)計(jì)要求，必須采取較高溫度對(duì)板坯進(jìn)行加熱，結(jié)果增加了在爐加熱時(shí)間，形成氧化鐵皮，導(dǎo)致氧化燒損大。另外，爐內(nèi)氣氛控制不好、供風(fēng)量過大、爐內(nèi)形成負(fù)壓、吸入冷風(fēng)等情況均會(huì)導(dǎo)致氧化鐵皮產(chǎn)生量過大，不容易被清除，形成一次氧化鐵皮壓入缺陷。SPA-H 鋼加熱工藝制度見表2。

表2 SPA-H 鋼加熱工藝制度Table 2 Heating Process System of SPA-H Steel

出現(xiàn)缺陷的板坯加熱工況顯示，生產(chǎn)薄規(guī)格SPA-H 鋼產(chǎn)品（厚度≤2 mm）時(shí)，加熱爐均熱段和加熱段的加熱溫度分別達(dá)到1 350 ℃和1 360 ℃，在爐時(shí)間230 min，不符合規(guī)定和生產(chǎn)操作要求。

為了保證軋制穩(wěn)定性，在生產(chǎn)厚度＜1.8 mm的SPA-H 高強(qiáng)耐候鋼時(shí)采用較高溫度加熱，表3為不同加熱工藝下氧化鐵皮情況。

表3 不同加熱工藝下氧化鐵皮情況Table 3 Oxide Scales under Different Heating Processes

如表3 所示，高溫下爐生氧化鐵皮較厚，導(dǎo)致產(chǎn)品延展性較差，經(jīng)軋制后壓入基體組織最終形成氧化鐵皮缺陷［5］。

2.2 除鱗水壓低及除鱗噴嘴安裝角度小

板坯出爐后粗軋軋制前進(jìn)行高壓除鱗，鋼坯在軋制過程中進(jìn)行機(jī)架間除鱗。除鱗水壓低或除鱗噴嘴安裝角度不符合標(biāo)準(zhǔn)均會(huì)造成除鱗不凈，導(dǎo)致氧化鐵皮壓入。高強(qiáng)耐候鋼Si 含量為0.4%左右，由于Si 比Fe 更易于氧化，加熱過程中，氧化層中會(huì)形成2FeO·SiO2，在1 173 ℃時(shí)為液態(tài),容易被高壓除鱗水除去, 但溫度降低時(shí)會(huì)形成Fe2SiO4的共析產(chǎn)物，凝固后形成錨狀物緊緊釘扎鐵皮，導(dǎo)致后續(xù)很難去除［6］。分析認(rèn)為，朝陽鋼鐵SPA-H 鋼爐后除鱗壓力低且控制不穩(wěn)定，爐后除鱗箱的噴嘴安裝角度不合理，除鱗不凈導(dǎo)致氧化鐵皮壓入鋼板表面形成缺陷。

生產(chǎn)厚度規(guī)格≥4.0 mm 的SPA-H 鋼時(shí)，加熱爐加熱溫度控制相對(duì)較低（高溫段爐溫為1 290 ℃左右，RDT≤1 090 ℃），鋼坯在經(jīng)過爐后除鱗及粗軋除鱗時(shí)，表面氧化層中形成的2FeO·SiO2已凝固形成Fe2SiO4的共析產(chǎn)物釘扎鐵皮，除鱗后Fe2O3和Fe3O4被除去，內(nèi)層的FeO 不能完全被除去，形成氧化鐵皮［6］。

2.3 軋輥輥面磨削差

在軋制過程中表面氧化鐵皮脫落，熱的金屬表面與水和空氣接觸，會(huì)生成新的氧化鐵皮（二次氧化鐵皮）。在精軋機(jī)內(nèi)由于軋輥表面磨削不好，造成輥面狀態(tài)不佳形成軋輥磨損氧化鐵皮。軋制過程中，若軋輥冷卻不好，軋輥表面溫度高，高溫下氧化膜開裂, 輥面氧化膜剝落被輾入帶鋼表面，導(dǎo)致帶鋼自身表面氧化鐵皮的生成。

3 措施及效果

3.1 優(yōu)化加熱工藝制度

對(duì)板坯的加熱溫度和RDT 溫度進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，將4 種厚度規(guī)格板坯的出鋼溫度和RDT 溫度分別降低10 ℃；（4.0，8.0］規(guī)格板坯的出鋼溫度降低10 ℃，RDT 溫度保持不變。根據(jù)板坯厚度和寬度細(xì)化了加熱段和均熱段的加熱溫度，縮小溫度偏差。SPA-H 鋼優(yōu)化后熱軋溫度制度和加熱工藝制度分別見表4 和表5。

表4 SPA-H 鋼優(yōu)化后熱軋溫度制度Table 4 Hot Rolling Temperature Schedule after Optimization

表5 SPA-H 鋼優(yōu)化后加熱工藝制度Table 5 Heating Process System for SPA-H Steel after Optimization

表6 為優(yōu)化后不同加熱工藝下氧化鐵皮情況。由表6 看出，加熱工藝優(yōu)化后，氧化鐵皮量大幅度減少。因此，合理控制板坯的爐氣溫度和RDT溫度可以減少燒損，達(dá)到減少氧化鐵皮的效果。

表6 優(yōu)化后不同加熱工藝下氧化鐵皮情況Table 6 Oxide Scales under Different Heating Processes after Optimization

3.2 優(yōu)化除鱗水壓和除鱗噴嘴安裝角度

確保爐后高壓除鱗泵水壓≥23 MPa，除鱗噴嘴安裝角度≤15°，爐后采用雙排除鱗。為了減少軋制過程中的溫降，一般不使用機(jī)架間除鱗。爐后除鱗和機(jī)架間除鱗工藝優(yōu)化后對(duì)SPA-H 鋼做打擊實(shí)驗(yàn)，圖3 為粗軋爐后除鱗打擊實(shí)驗(yàn)板實(shí)貌。

圖3 粗軋爐后除鱗打擊實(shí)驗(yàn)板實(shí)貌Fig.3 Actual Appearance of Descaling and Striking Experimental Plate after Rough Rolling Furnace

由圖3 看出，打擊板表面除鱗效果很好，說明除鱗水壓適合，噴嘴安裝合適，噴嘴噴射均勻。

3.3 提高軋輥表面質(zhì)量

增加SPA-H 軋輥上機(jī)前探傷檢測(cè)次數(shù)并做好記錄，確保軋輥表面無缺陷。采用塑料膜覆蓋修磨好的輥面，確保輥面質(zhì)量符合上線要求?？刂栖堉乒?jié)奏，確保軋輥有完好的氧化膜以減少氧化鐵皮的產(chǎn)生。

生產(chǎn)軋輥下線后對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)并做好記錄，以確保在線軋輥工況滿足板卷表面質(zhì)量要求。此后，沒有發(fā)生輥面氧化膜脫落壓入帶鋼表面的現(xiàn)象，大大減少了由此產(chǎn)生的氧化鐵皮缺陷。

采取上述措施后，SPA-H 集裝箱用鋼氧化燒損量降低，表面鐵皮產(chǎn)生量明顯減少，氧化鐵皮的厚度減薄。綜合軋鋼表面檢測(cè)儀檢測(cè)、平整機(jī)組在線抽查、用戶跟蹤反饋等信息后得出，SPA-H 鋼板表面氧化鐵皮缺陷率由0.83%降至0.07%，約降低91.6%。隨著上述相關(guān)技術(shù)措施的納標(biāo)推廣，其他材質(zhì)的鋼材表面氧化鐵皮類缺陷也得到明顯改善。

4 結(jié)語

采用LEICA DIM5000M 光學(xué)顯微鏡、ZEISS SUPRA 55 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡和OXFORD 能譜儀檢測(cè)并分析了SPA-H 耐候鋼熱軋板表面氧化鐵皮壓入缺陷，認(rèn)為導(dǎo)致該缺陷的原因是加熱工藝制度不合理，除鱗水壓低，除鱗噴嘴安裝角度小及軋輥輥面磨削差。采取降低加熱段和均熱段加熱溫度、RDT溫度，縮短板坯在爐時(shí)間，爐后除鱗和機(jī)架間除鱗水壓力控制≥23 MPa，除鱗噴嘴安裝角度≤15°，改善軋輥輥面質(zhì)量等措施后，SPA-H 鋼板表面氧化鐵皮缺陷率由0.83%降至0.07%，約降低了91.6%。